Kapitel 7.4: Nachweismethoden für ionisierende Strahlung - PTB

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448 7.4 Nachweismethoden für ionisierende Strahlung einer Fläche eine dünne p-leitende Oxidschicht erzeugt wird. Auf diese wird als Kontakt eine Goldschicht von 10 bis 20 nm Dicke gedampft, die zugleich einen Leckstrom durch Lichteinwirkung verhindert. Die flächenbezogene Masse des Eintrittsfensters für Strahlung entspricht einer Siliciumschichtdicke von weniger als 0,5 um. Der Kontakt auf der Rückseite wird i. allg. durch Einlegieren von Aluminium hergestellt. Detektoren mit größeren Tiefen des empfindlichen Volumens erfordern Kristalle von höchster Reinheit mit den entsprechenden Abmessungen; schon geringe Spuren von Verunreinigungen bewirken einen untragbar hohen Dunkelstrom. Erhältlich, wenn auch teuer, sind heute Germanium-Reinstkristalle (HPGe-Detektoren) mit Dicken der Verarmungszone bis zu 45 mm. Mit koaxialen HPGe-Detektoren, bei denen der eine Kontakt (z. B. der p-Kontakt in der Achse) durch eine Schicht gebildet wird, in die Lithium eindiffundiert wurde, und der andere (n-Kontakt von außen) durch Implantation von Bor, lassen sich Meßvolumina bis zu etwa 700 cm^ (Firma EG &G, Ortec) erreichen. Verarmungszonen lassen sich auch durch Kompensation der von den Verunreinigungen erzeugten Ladungsträger mit Hilfe von Lithiumionen herstellen. Diese werden durch Einwirkung eines elektrischen Feldes bei erhöhter Temperatur in den Si- bzw. Ge-Kristall hineingezogen. Mit den als p-i-n-Dioden bekannten lithiumgedrifteten Germanium- und Siliciumkristallen erreicht man empfindliche Volumina bis zu 30 cm^ Ge(Li)-Dioden müssen zur Aufrechterhaltung der Lilonenverteilung im Kristall permanent mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Auch HPGe-Detektoren werden ebenso gekühlt, um die Beweglichkeit der Ladungsträger zu erhöhen und das Rauschen des Detektors zu erniedrigen. Anwendungen der Halbleiterdetektoren Die Ansprechwahrscheinlichkeit für die Zählung geladener Teilchen beträgt nahezu 100%, wenn das Eintrittsfenster dünn genug ist, um Teilchen mit ausreichender Energie in das empfindliche Volumen gelangen zu lassen. Die Tiefe dieses Volumens muß so groß sein, daß die in ihm erzeugten Impulssignale größer als die Rauschimpulse sind. Vom Hersteller wird das Rauschen des Detektors mit zugehörigem Verstärker gewöhnlich als Energie (in keV) angegeben, die ein Teilchen besitzt, das einen dem Rauschimpuls äquivalenten Puls erzeugt. Aus den Abmessungen des Detektors und dem Bremsvermögen der nachzuweisenden Teilchen läßt sich die im Detektor abgegebene Energie einfach abschätzen. Die Zählung von Photonen im Energiebereich der Röntgenstrahlung erfordert dünne Eintrittsfenster, um die Schwächung gering zu halten, und tiefe Verarmungszonen (groß gegen die Schwächungslänge \/n). Die Ansprechwahrscheinlichkeit eines Si(Li)-Detektors mit 1 cm tiefer Verarmungszone ist z. B. im Photonenenergiebereich bis 90 keV größer als 10%. Für Gammastrahlung höherer Energie sind Ge(Li)- bzw. HPGe-Detektoren (größeres Z) erforderlich. Die Ansprechwahrscheinlichkeit der Ge(Li)-Detektoren wird häufig auf diejenige eines Nal(Tl)- Szintillationsdetektors von 76,2 mm Höhe und 76,2 mm Durchmesser bezogen. Sie liegt für Germanium-Detektoren von etwa 50cm' empfindlichem Volumen bei etwa 10%. Die größten kommerziell erhältlichen HPGe-Detektoren erreichen eine relative Ansprechwahrscheinlichkeit von ca. 160% und eine Energieauflösung von 2,1 keV (Halbwertsbreite) (s. auch 7.6.2.1). Die Messung der Energiespektren von Photonen und geladenen Teilchen mit Halbleiterdetektoren ist unter 7.6.2.1 ausführlich beschrieben. Die Zeitauflösung von Oberflächensperrschichtdetektoren ist infolge der dünnen Schichten sehr hoch, es werden Ansprechzeiten bis herab zu 10 's erreicht. Für Koinzidenz- und Antikoinzidenzschaltungen sind diese Detektoren wegen ihrer geringen Ansprechwahrscheinlickeit für Photonen allerdings weniger gut geeignet als Szintillatoren.
7.4.6 Elektrische Effekte in Festkörpern 449 Zur Neutronenzählung wird die Kernumwandlung des Siliciums ausgenutzt. Bei hohen Zählraten besteht die Gefahr, daß sich die Nachweiseigenschaften durch Strahlenschäden des Detektormaterials ändern. In Tab. 7.9 sind Fluenzen für verschiedene Strahlenarten angegeben, bei denen Veränderungen merklich werden. Tab. 7.9 Strahlenschäden in Halbleitern Detektorart Teilchenfluenz, die eine Änderung des Ansprechvermögens bewirkt, in cm 2 Elektronen schnelle Protonen a-Teilchen Neutronen Oberflächensperrschicht- Detektoren 10" 10'2 10'" 10' Diffundierte Detektoren 10'^ 10'^ 10'" 10' Si(Li) 10'^ 10" 10' Ge(Li) 10^ bis 10' P-leitende Siliciumdioden werden für Dosis- und Dosisleistungsmessungen dort angewandt. Wo im Vergleich zu Ionisationskammern durch hohe Detektorsignale kurze Meßzeiten und eine hohe räumliche Auslösung erreicht werden sollen, z. B. bei der Aufnahme von Tiefendosisverteilungen in einem Wasserphantom. Mit Hilfe perforierter Umhüllungen läßt sich das Ansprechvermögen der Detektoren so beeinflussen, daß die Tiefendosiswerte von den mit Ionisationskammern erhaltenen um weniger als 2% abweichen (Rikner (1985a, 1985b), Rikner u. Gruseil (1985, 1987)); anders als bei Ionisationskammern spielen bei Halbleiterdetektoren der Dichteeffekt und Feldstörungseffekte nur eine untergeordnete Rolle. Bei gepulster Strahlung aus Beschleunigern sind p-Si-Dioden bis zu 0,2Gy pro Puls dosisleistungs-unabhängig. Sie haben gegenüber n-Si-Dioden den Vorteil, weniger empfindlich für Strahlenschäden zu sein. Nach Rikner u. Gruseil (1983) vermindert sich das mit ^Co-Gammastrahlung gemessene Ansprechvermögen nach Vorbestrahlung mit 20-MeV-Elektronen in Abhängigkeit von der erzeugten Energiedosis während der ersten 2kGy sehr rasch, danach jedoch nur langsam und linear mit etwa 2%/kGy für p-Si- und 7%/kGy für n-Si-Dioden. Bezogen auf gleiche Energiedosen ist die Lebensdauer bei Bestrahlung mit Co-Gammastrahlung um etwa einen Faktor 20 größer als bei Bestrahlung mit 20-MeV- Elektronen. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Halbleiterdetektoren Die Oberfläche der Detektoren darf auf keinen Fall mechanisch beschädigt oder z. B. durch Berühren mit den Fingern verunreinigt Werden. Staubteilchen dürfen von der Oberfläche nur mittels eines schwachen und sauberen Luftstromes entfernt werden. In einer Atmosphäre, die Quecksilberdampf, Pumpenöl, organische Lösungsmittel oder größere Mengen Wasserdampf usw. enthält, können bleibende Schäden entstehen, die ein Ansteigen des Sperrstromes und damit eine Verschlechterung der Energieauflösung zu Folge haben. Die Vorspannung soll stets nur langsam auf den gewünschten Wert gesteigert werden. Dabei ist es zweckmäßig, das Rauschen am Ausgang des angeschlossenen Verstärkers mit einem Oszillographen zu überwachen. Ein plötzliches Ansteigen des Rauschpegels deutet auf einen Durchbruch hin, der zur Zerstörung führen kann. Bei schnellen Druckänderungen in Vakuumkammern (z. B. bei Belüften oder Auspumpen) soll die Vorspannung am Detektor abgeschaltet werden. Bei Beachtung dieser Punkte wird die Lebensdauer von Halbleiterdetektoren im wesentlichen nur durch die im Kristall hervorgerufenen Strahlenschäden begrenzt (s. Tab. 7.9). Daher sollten sie nicht länger als notwendig der Strahlung ausgesetzt werden. Im direkten Strahl eines Teilchenbeschleunigers oder
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Seite 23 und 24: 7.4.4 Nachweis mittels chemischer R
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Seite 29: 7.4.6 Elektrische Effekte in Festk
Seite 33 und 34: 7.4.7 Kalorimeter 451 Das strahlung
Seite 35 und 36: 7.4.8 Biologische Indikatoren 453 D
Seite 37 und 38: 7.4.9 Spezielle Methoden zum Nachwe
Seite 43 und 44: Literatur zu 7.4 461 DIN 5036, Teil
Seite 45 und 46: Literatur zu 7.4 463 Knoll, G.F. (1

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